Because of the recent increase in maritime cargo capacity, the production and price of crude oil have been rising. As oil prices have risen, many problems have occurred in the industry. To solve these problems, marine resources are being actively developed, and there has been an increase in the orde...
Because of the recent increase in maritime cargo capacity, the production and price of crude oil have been rising. As oil prices have risen, many problems have occurred in the industry. To solve these problems, marine resources are being actively developed, and there has been an increase in the orders for special vessels and marine structures for the development of marine resources. However, consequently, various kinds of accidents have also occurred in these special vessels and structures. One of the major types of accidents involves fire and explosion, which cause many casualties and property damage. Therefore, various studies to estimate and prevent such accidents have been carried out. In this study, as basic research for the prevention of fire and explosion, numerical simulations on combustion were carried out by using a commercial grid generation program, Gridgen, and a CFD program, ANSYS-CFX. The influences of some parameters, such as the grid system, turbulence model, turbulent dissipation rate, and so on, on the simulation results were investigated, and optimum ones were chosen. It was found that the present results adopting these parameters agreed moderately well with other experimental and numerical ones.
Because of the recent increase in maritime cargo capacity, the production and price of crude oil have been rising. As oil prices have risen, many problems have occurred in the industry. To solve these problems, marine resources are being actively developed, and there has been an increase in the orders for special vessels and marine structures for the development of marine resources. However, consequently, various kinds of accidents have also occurred in these special vessels and structures. One of the major types of accidents involves fire and explosion, which cause many casualties and property damage. Therefore, various studies to estimate and prevent such accidents have been carried out. In this study, as basic research for the prevention of fire and explosion, numerical simulations on combustion were carried out by using a commercial grid generation program, Gridgen, and a CFD program, ANSYS-CFX. The influences of some parameters, such as the grid system, turbulence model, turbulent dissipation rate, and so on, on the simulation results were investigated, and optimum ones were chosen. It was found that the present results adopting these parameters agreed moderately well with other experimental and numerical ones.
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문제 정의
본 연구에서는 해양플랜트 구조물 및 특수선에 대한 폭발 사고의 피해를 예측하기 위한 기초연구로써 3차원 버너를 이용한 연소현상에 대해 상용프로그램인 ANSYS-CFX ver.11을 이용해 시뮬레이션을 수행하였으며, Sandia National Laboratories (Barlow and Frank, 2007)에서 수행된 실험 및 Gobby(2004)의 시뮬레이션 결과와 비교·검증을 통해 적용 가능성을 검토하여 보았다.
해양플랜트의 화재 및 폭발 사고의 피해 예측을 위한 기초연구로서 3차원 버너의를 이용한 연소 시뮬레이션에 대한 연구를 수행하였다. 시뮬레이션의 정도 향상을 위해 격자계, 화학반응식, 난류모델, 그리고 난류소산계수에 대해 다양한 테스트를 수행하였으며 이를 통해 최적의 계수를 추정하였다.
가설 설정
시뮬레이션은 정상상태(Steady state)로 가정하였으며 계산이 수행되는 시간간격은 5.0×10-5 s이고 잔차(Residual)가 1.0×10-5이 하가 될 때 계산이 멈추도록 설정하였다.
제안 방법
Merci et al.(2000)에서는 C=1과 15의 두 경우에 대하여 수행하였으나, 본 연구에서는 C=1, 15, 30의 세 경우에 대해서 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
0×10-4로 설정하였다. Fuel 부분과 Pilot 부분 사이에 위치한 Wall에는 Fuel 부분의 격자와 동일한 크기의 격자를 이용하였으며 Pilot부분과 Co-Flow 사이에 위치하는 Wall에는 Pilot 부분과 동일한 크기의 격자를 사용하였다.
난류모델의 정합성을 평가하기 위해 k-ε, RNG(Re-normalization group) k-ε, 그리고 k-ω의 3가지 난류모델에 대한 시뮬레이션의 수행하였으며 그 결과를 Fig. 11에 나타낸다.
61%로 격자가 조밀해짐에 따라 값이 수렴해 가고 있음을 정량적으로 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 계산 시간을 고려하여 Fine 격자에 비해 0.61%의 오차를 보이고 있는 Medium 격자를 이용하여 이후의 시뮬레이션을 수행하였다.
먼저, 버너가 위치하는 밑면은 입구(Inlet) 조건을, 원호방향의 측면에는 전체 모형의 15°를 계산영역으로 고려하였기 때문에 대칭(Symmetry) 조건을, 반경방향의 측면에서는 유체의 유출입이 상대압력차이로 발생하는 개방(Openning) 조건을, 윗면에는 출구 (Outlet) 조건을, 그리고 Wall 부분은 No-slip 경계조건과 단열 조건을 각각 설정하였다.
본 연구에 지배방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식 그리고 에너지 방정식이다.
본 연구에서는 식 (1)과 동일한 메커니즘을 가진 “Methane air WD1 model” 옵션과 식 (2)~(3)과 동일한 메커니즘을 가진 “Methane air WD2 model” 옵션에 대한 비교평가를 수행하였다.
본 연구에서는 온도와 속도의 시뮬레이션 결과와 실험값의 비교를 통해 상대적으로 실험값에 근접한 C=15로 설정하여 추후의 시뮬레이션을 수행하였다.
해양플랜트의 화재 및 폭발 사고의 피해 예측을 위한 기초연구로서 3차원 버너의를 이용한 연소 시뮬레이션에 대한 연구를 수행하였다. 시뮬레이션의 정도 향상을 위해 격자계, 화학반응식, 난류모델, 그리고 난류소산계수에 대해 다양한 테스트를 수행하였으며 이를 통해 최적의 계수를 추정하였다. 또한 추정된 최적의 계수들을 이용해 Gobby(2004)의 시뮬레이션 및 Sandia national laboratories(Barlow and Frank, 2007)에서 수행한 실험과 동일한 조건으로 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 상호 비교하였다.
화학 반응이 일어나 화염이 생길 것으로 사료되는 Fuel 부분과 Pilot 부분에 격자를 집중배치 하였으며 반경방향으로는 격자 간격이 점차 커지며, 연직방향으로는 Fuel와 Pilot 그리고 Co-flow 부분의 최소 격자 간격을 1.0×10-4로 설정하였다.
대상 데이터
본 연구의 연소 시뮬레이션에 이용된 구조물의 형상은 Sandia national laboratories(Barlow and Frank, 2007)에서 수행한 3차원 버너(Burner)의 형상이며 Fig. 4와 같은 모습이다. 버너의 크기는 Table 2에 나타낸 바와 같이 Fuel 부분의 반경이 3.
데이터처리
시뮬레이션의 정도 향상을 위해 격자계, 화학반응식, 난류모델, 그리고 난류소산계수에 대해 다양한 테스트를 수행하였으며 이를 통해 최적의 계수를 추정하였다. 또한 추정된 최적의 계수들을 이용해 Gobby(2004)의 시뮬레이션 및 Sandia national laboratories(Barlow and Frank, 2007)에서 수행한 실험과 동일한 조건으로 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 상호 비교하였다. 결과적으로, 선행연구의 시뮬레이션과는 전반적으로 유사한 경향을 보이지만 버너로부터 중심축 상의 연직방향의 온도 분포나 버너로부터 점차 멀어짐에 따라 연소에 반응한 물질의 공간적인 확산 메커니즘은 실험과 부분적인 차이를 보였다.
이론/모형
ANSYS-CFX에서 제공하는 연소모델은 “Eddy dissipation”, “Finite rate chemistry”, 그리고 두 가지 모델을 혼합한 “Eddy dissipation and finite rate chemistry” 중 본 연구에서는 난류 영역에서 많이 사용되어지는 혼합모델인 “Eddy dissipation and finite rate chemistry”를 이용하였으며 Eddy dissipation model 계수인 A와 B는 각각 4.0과 0.5로 설정하였다(Magnussen, 2005).
따라서 본 연구에서는 실험과의 비교에서 상대적으로 실험값에 가장 근접하다고 판단되는 k-ε 모델을 적용하여 이후의 시뮬레이션을 수행하였다.
하지만 전반적으로 큰 차이는 보이지 않는다. 따라서 본 연구에서는 이후의 다양한 반응 형태(예를 들어, 메탄가스를 추출하는 경우의 유출 발생 경우, 충전물로 주입하는 N2와 메탄가스가 산소와 반응하여 일산화탄소, 이산화탄소, NO2가 생성되는 등)를 고려해 Two-step 모델을 사용하여 이후의 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 연소의 난류 시뮬레이션에 최종적으로 k-ε 모델을 선택하였다.
먼저, 버너가 위치하는 밑면은 입구(Inlet) 조건을, 원호방향의 측면에는 전체 모형의 15°를 계산영역으로 고려하였기 때문에 대칭(Symmetry) 조건을, 반경방향의 측면에서는 유체의 유출입이 상대압력차이로 발생하는 개방(Openning) 조건을, 윗면에는 출구 (Outlet) 조건을, 그리고 Wall 부분은 No-slip 경계조건과 단열 조건을 각각 설정하였다. 이 때 각각의 부분에서 속도는 Gobby (2004)를 참고하여 Fig. 7과 같은 속도 형상(Profile)을 부여하였으며, 각 부분의 온도조건으로 Fuel 부분은 294K, 반응이 일어나는 Pilot 부분은 1880K, 그리고 Co-flow 부분은 291K로 설정하였다. 또한, 각각의 부분에 존재하는 분자는 Fuel부분에 메탄과 산소, Pilot 부분은 이산화탄소, 물 및 산소, 그리고 Co-flow부분은 산소만 존재한다.
성능/효과
Fig. 15(b)의 속도 분포에서는 전반적으로 시뮬레이션과 실험 결과가 일치하지만, 전체적으로 S자의 분포를 보이는 Gobby(2004)의 결과와는 달리 본 시뮬레이션 결과는 전반적으로 실험치에 보다 근접하다는 것을 알 수 있다. 다음으로, Fig.
이는 전체적으로 본 시뮬레이션에서 얻어진 공간상 온도분포의 최대값이 실험에 비해 다소 왼쪽으로 치우침에 따라 최대값 부근으로 집중하려는 특성에 기인한 것이라 판단할 수 있다. 결과적으로 Coarse의 경우 1.69%, Medium의 경우 0.61%로 격자가 조밀해짐에 따라 값이 수렴해 가고 있음을 정량적으로 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 계산 시간을 고려하여 Fine 격자에 비해 0.
0 mm 떨어진 위치이다. 결과적으로 경게조건이 적용되는 입구와 상대적으로 가까운 Line-1에서는 실험과 거의 동일한 질량분율을 유지하고 있지만, 연소가 진행되면서 Line-2에서는 반경방향으로 메탄의 질량분율은 실험보다 부족하게, 그리고 이산화탄소는 과잉으로 분포하는 경향을 보이고 있다. 이는 화학적 반응에 있어서 온도분포가 상당히 중요한데, Fig.
또한 추정된 최적의 계수들을 이용해 Gobby(2004)의 시뮬레이션 및 Sandia national laboratories(Barlow and Frank, 2007)에서 수행한 실험과 동일한 조건으로 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 상호 비교하였다. 결과적으로, 선행연구의 시뮬레이션과는 전반적으로 유사한 경향을 보이지만 버너로부터 중심축 상의 연직방향의 온도 분포나 버너로부터 점차 멀어짐에 따라 연소에 반응한 물질의 공간적인 확산 메커니즘은 실험과 부분적인 차이를 보였다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 추후 연소의 난류모델 및 화학반응식 등에 대한 연구가 추가적으로 개선되어져야 할 것으로 사료된다.
전술한 바와 같이, 시뮬레이션 결과는 사용된 난류모델이나 이와 관련된 실험계수들에 의해 아주 민감하게 반응한다는 사실을 알 수 있었다. 특히, 난류모델과 관련된 계수들은 주로 단상류에 관한 난류의 평판 실험에 근거한 값들이며, 화학적 반응을 포함하는 연소 현상을 제대로 표현하기 위해서는 향후 이에 대한 보완이 필요할 것으로 보인다.
후속연구
결과적으로, 선행연구의 시뮬레이션과는 전반적으로 유사한 경향을 보이지만 버너로부터 중심축 상의 연직방향의 온도 분포나 버너로부터 점차 멀어짐에 따라 연소에 반응한 물질의 공간적인 확산 메커니즘은 실험과 부분적인 차이를 보였다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 추후 연소의 난류모델 및 화학반응식 등에 대한 연구가 추가적으로 개선되어져야 할 것으로 사료된다.
전술한 바와 같이, 시뮬레이션 결과는 사용된 난류모델이나 이와 관련된 실험계수들에 의해 아주 민감하게 반응한다는 사실을 알 수 있었다. 특히, 난류모델과 관련된 계수들은 주로 단상류에 관한 난류의 평판 실험에 근거한 값들이며, 화학적 반응을 포함하는 연소 현상을 제대로 표현하기 위해서는 향후 이에 대한 보완이 필요할 것으로 보인다.
1에서 확인할 수 있듯이, 세계 경기 회복으로 인한 물동량 증가로 인해 원유생산량과 원유 가격이 상승하고 있다. 향후 한정된 지상의 원유 자원은 점차 고갈되어 갈 것이며 더불어 원유가격 역시 계속 상승할 것으로 보인다. 이처럼 상승하는 원유가로 인한 산업계 전반의 많은 문제점들을 해결하기 위해 최근 해양자원개발이 활발히 이루어지고 있으며 다양한 특수선박 및 해양구조물들의 발주량이 증가하고 있는 추세이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연소란 무엇을 의미하는가?
연소의 정의란, 산소와 급격한 반응을 일으켜 다량의 발열화학 반응을 하고, 그 결과 발광하면서 반응에 의해 발생하는 열에너지, 활성화학종에 의해 자발적으로 연소반응이 지속되는 현상으로, 공업적으로는 발열, 발광, 화학반응 현상이 동시에 일어나는 것을 의미한다. 연소의 필수 조건으로는 연료, 발화점이상의 온도, 일정량 이상의 산소 등을 들 수 있으며 기체, 액체 및 고체의 연료 연소 등으로 분류된다.
기체 연료 연소를 반응체 혼합상태에 따라 구분하면?
기체연료의 연소형태는 반응체의 혼합상태에 따라 예혼합연소(Premixed combustion)와 확산연소(Diffusion combustion)로 구분할 수 있다. 예혼합연소는 기체연료의 연소반응에 필요한 산소 또는 공기를 미리 혼합한 예혼합기(Premixture)를 연소시키는 것으로, 화염면이라고 하는 고온의 반응면이 형성되며, 자력으로 전파해 나가는 특징이 있다.
연소의 필수 조건은?
연소의 정의란, 산소와 급격한 반응을 일으켜 다량의 발열화학 반응을 하고, 그 결과 발광하면서 반응에 의해 발생하는 열에너지, 활성화학종에 의해 자발적으로 연소반응이 지속되는 현상으로, 공업적으로는 발열, 발광, 화학반응 현상이 동시에 일어나는 것을 의미한다. 연소의 필수 조건으로는 연료, 발화점이상의 온도, 일정량 이상의 산소 등을 들 수 있으며 기체, 액체 및 고체의 연료 연소 등으로 분류된다. 이 중 선박 및 해양구조물에서 자주 발생하는 기체 연료 연소는 기체 상태에의 연료와 산화제의 화학 반응에 의해 발생한다.
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